DE3212589A1

DE3212589A1 - Laserstrahl-bearbeitungsmaschine und verfahren zur laserstrahl-bearbeitung von werkstuecken

Info

Publication number: DE3212589A1
Application number: DE19823212589
Authority: DE
Inventors: Akira 90638 La Mirada Calif. Tsutsumi
Original assignee: Amada Engineering and Service Co Inc
Current assignee: Amada Engineering and Service Co Inc
Priority date: 1981-04-07
Filing date: 1982-04-03
Publication date: 1982-11-25
Also published as: SE8704773L; CH654778A5; KR880002407B1; AU555659B2; AU8230682A; GB2096517B; KR830009887A; GB2096517A; US4503313A; SE8704773D0; FR2503004A1; SE457508B; DE3212589C2; FR2503004B1; IT1186689B; IT8248175A0; CA1210459A; SE8202257L

Description

PATENTANWÄLTE
DlPL.-ING. BUSCHHOFF
DIP L.-IN G. HENNICKE ζ'

DlPL.-ING. VOLLBACH

KAISER-WILHELM-RING 24

5000 KÖLN 1

Rn,,. Nl.

Aa 276 I KÖLN, den 2.4.1982

billo anfjfilxiii /

Anm.: Amada Engineering & Service Co., Inc., 14646 Northern Street, La Mirada. California 90638 (U.S.A.)

Titel: Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine und Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine, mit der sich Werkstücke, insbesondere plattenförmige Werkstücke, wie z.B. Metallbleche u.dgl., mittels Laserstrahlen eines Laser-Resonators in unterschiedlicher Weise bearbeiten, z.B. schneiden und lochen lassen.

Es ist bekannt, für die Bearbeitung einer Vielzahl von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen, wie Stahl oder Eisen, Nickel, Kunststoff, Gummi und Glas Laserstrahlen einzusetzen. Die hierfür verwendeten Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen weisen einen Laserstrahl-Generator zur Erzeugung des Laserstrahls sowie eine Laserstrahl-Schneidmaschine auf, die mit einem Arbeltskopf versehen ist, um den vom Generator erzeugten Laserstrahl zu fokussieren und auf das Werkstück zu führen. Die Laserstrahl-Schneidmaschine ist mit einem Werkstücktisch sowie mit einer am Werkstücktisch angeordneten WerkstUck-Positionierungsvorrichtung versehen.

Bei den bekannten Maschinen der vorgenannten Art wurden der Laserstrahl-Generator und die Laserstrahl-Schneidmaschine bisher stets als konstruktiv unabhängige Maschineneinrichtungen ausgeführt (vgl. US-PS 40 88 865). Hierbei

-y-c

mußte der vom Generator erzeugte Laserstrahl über ein verwickeltes Spiegelsystem zu der Laserstrahl-Schneidmaschine geführt werden. Dabei kam es zu Abweichungen der optischen Achse des Laserstrahls. Diese optischen Abweichungen sind auf die thermische Deformation des Spiegelsystems sowie auf Vibrationen zwischen dem Laserstrahl-Generator und der Laserstrahl-Schneidmaschine zurückzuführen. Die Laserstrahl-Abweichungen von der optischen Mittellage führen zu umständlichen und zeitaufwendigen Bedienungs- und Justierarbeiten am Spiegelsystem«

Um Erzeugnisse von komplizierter Form mit hoher Genauigkeit und Feinbearbeitung herzustellen, mußte die WerkstUck-Positionierungsvorrichtung nach Maßgabe des vorgegebenen Arbeitsablaufes exakt einjustiert werden· Die Durchführung soloher genauen und verwickelten Justiervorgänge stellt für das Bedienungspersonal eine schwierige Aufgabe dar. Ein weiterer Nachteil bestand darin, daß die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen bisher nicht mit einer Vorrichtung zur Maßstabsveränderung bzw, Maßstabserhöhung der zu schneidenden Form ausgestattet waren. Wenn eine Maßstabsveränderung bzw. Maßstabserhöhung im Arbeitsablauf gefordert xirurde, mußte das Bedienungspersonal die geometrischen Daten des zu schneidenden Werkstücks einer Steuervorrichtung aufgeben.

Bei den herkömmlichen Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen wurde bisher der Fokuspunkt des Laserstrahls unabhängig von der jeweiligen Dicke des Werkstücks so eingestellt, daß er geringfügig unterhalb der Werkstückoberseite lag» Bei einer Änderung der Laserstrahl-Bearbeitungsbedingungen, z.B. beim Übergang vom Schneidvorgang auf den Lochvorgang, war es infolgedessen äußerst schwierig, eine exakte Feinbearbeitung zu erreichen«

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile und Unzulänglichkeiten der bekannten Laserstrahl-Be-

arbeitungsmaschinen und der Laserstrahl-Bearbeitungsmethoden, vorzugsweise in ihrer Gesamtheit, zu beseitigen und die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen. Insbesondere ist die Erfindung auf eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine gerichtet, mit der die genannten optischen Abweichungen der Laserstrahlen von der optischen Mitte durch entsprechende konstruktive Ausgestaltung der Bearbeitungsmaschine und möglichst auch die bisher erforderlichen verwickelten Spiegelsysteme eliminiert werden« Dabei soll zweckmäßig auch der Bedienungsaufwand insbesondere in Bezug auf die Justierarbeiten herabgesetzt werden. Schließlich ist die Erfindung auf ein Laser-Bearbeitungsverfahren gerichtet, mit dem sich auch bei Änderungen der Arbeitsbedingungen eine genaue Bearbeitung erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den einzelnen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile und Wirkungen werden nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine in Seitenansicht;

Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1;

Fig. 3 die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine nach den Fig. 1 und 2 in einer Stirnansicht;

Fig. 4 in einem Blockdiagramm eine Steuereinrichtung, die bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine Verwendung finden kann;

Fig. 5 in einem Teilschnitt durch ein Werkstück den

Arbeitsvorgang !beim Lochen dieses Werkstücks mit Hilfe eines Laserstrahls?

Fig. 6a bis 6d schematisch verschiedene Formen eines im Werkstück hergestellten Loches bei unterschledlicher Fokuslage des Laserstrahles?

Fig. 7a bis 7c schematisck eine Ansicht auf die Schnittflächen, die sich beim Schneidvorgang mittels eines Laserstrahles bei unterschiedlicher Fokuslage ergeben,,

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 weist einen Laserstrahl-Generator 3 zur Erzeugung eines Laserstrahles LB sowie eine Laserstrahl-Schneidvorrichtung 5 aufβ Die Laserstrahl-Schneidvorrichtung 5 ist mit einem Unterbau 7 in Gestalt eines Grundrahmens oder Maschinenbettes versehen, auf dem ein vertikaler Pfosten oder Ständer 9 feststehend angeordnet ist, welcher einen in Horizontallage über dem Unterbau 7 angeordneten, einseitig auskragenden Kopfbalken 11 od.dgl. trägt. Am Unterbau 7 ist ein Werkstücktisch 13 angeordnet, auf dessen Oberseite das z.B. aus einem Metallblech bestehende, mit Hilfe des Laserstrahles LB zu schneidende Werkstück W in Horizontallage gelegt wird. Der Kopfbalken 11 trägt an seinem vorderen Ende einen Bearbeitungskopf 15.

Zur Zuführung und Positionierung des Werkstücks B ist am Unterbau 7 eine Werkstück-Positionierungsvorrichtung 17 gelagert. Die Werkstück-Positionierungsvorrichtung 17 weist in Richtung der Y-Achse 21 bewegliche Schlitten 19 und einen auf diesen Schlitten 19 in Richtung der X-Achse 271 also senkrecht zur Y-Achse 21 beweglichen Schlitten 23 auf, der mit mehreren Einspannvorrichtungen 35 für das Werkstück W versehen ist. Die Schlitten 19 sind auf einem Schienenpaar 29 verschieblich gelagert, das sich in Rieh-

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tung der Y-Achse 21 erstreckt und auf der Oberseite des Werkstücktisches 13 befestigt ist. Die Schienen 29 verlaufen parallel zueinander.

Die Schlitten 19 weisen ein Paar Schiebetische 31 auf, die über einen sich in Richtung der X-Achse 27 erstreckenden Verbindungsträger 33 verbunden sind. An den Verbindungsträgern 33 sind Muttern 35 befestigt, die auf dem Gewindeabschnitt einer Führungsspindel 37 od.dgl. sitzen. Die Führungsspindel 37 erstreckt sich in Richtung der Y-Achse 21; sie ist an einem Ende in einem Drehlager 39 gelagert, welches an der Unterseite des Kopfbalkens 11 befestigt ist. Das andere Ende der Führungsspindel 37 1st mit einem Schlittenantrieb 41 verbunden. Der Schlittenantrieb 41 weist einen den Schlitten in Richtung der Y-Achse 21 bewegenden Antriebsmotor 43 auf, dessen Ausgangswelle über ein Untersetzungsgetriebe 45 mit der Führungsspindel 37 antriebsmäßig verbunden ist. Die Schlitten 19 können daher mit Hilfe des Schlittenantriebes 41 in Richtung der Y-Achse 21 in die Bearbeitungszone unterhalb des Bearbeitungskopfes 15 gefahren und aus der Bearbeitungszone zurückgefahren werden.

Der zweite Schlitten 23 ist auf einem Paar Schienen 47 verschiebbar gelagert, die an dem Verbindungsträger 33 angeordnet sind, welcher die erstgenannten Schlitten 19 verbindet. Die Schienen 47 erstrecken eich in Richtung der X-Achse 27, also senkrecht zur Y-Achse 21. Am zweiten Schlitten 23 greift eine Gewindespindel 49 mit ihrem Gewindeabschnitt an. Das eine Ende der Gewindespindel 49 ist in einem Drehlager 51 gelagert, welches an dem einen Ende des Verbindungsträgers 33 befestigt ist, wie dies Fig. 3 zeigt. Das andere Ende der Führungsspindel 49 ist mit einem zweiten Schlittenantrieb 53 verbunden, dessen Antriebsmotor 55 den Schlitten 23 über ein Untersetzungsgetriebe 57 und die Führungsspindel 49 in Richtung der X-Achse bewegt. Bei diesen Schlittenbewegungen werden die

Klemmvorrichtungen 25 mitgenommen,,

Mit der vorstehend beschriebenen Schlittenanordnung kann mit Hilfe der Schlittenantriebe 41 und 53 ein von den Klemmvorrichtungen 25 gehaltenes Werkstück ¥ in die jeweilige Arbeitsposition unter den Bearbeitungskopf 15 gebracht werden. Die Schlittenantriebe 41 und 53 werden von einer vorprogrammierten numerischen Steuerung gesteuert, wie dies weiter unten noch ausgeführt wird. Das unterhalb des Bearbeitungskopfes 15 befindliche Werkstück W kann automatisch geschnitten und gelocht werden·

Der Bearbeitungskopf 15 ist am vorderen freien Ende des Kopfbalkens 11 in Vertikalrichtung festgelegt. Der Bearbeitungskopf 15 weist ein Spiegelsystem 59, ein bewegliches Rohrelement 61 mit einer (nicht dargestellten) Sammellinse, einen Justierantrieb 63 für das Rohrelement und eine Justiervorrichtung für das Rohrelement auf. In Horizontalrichtung durch den Kopfbalken 11 erstreckt sich ein Rohr oder ein Kanal 65, welcher an das Spiegelsystem 59 angeschlossen ist. Der von dem Laser-Generator 3 erzeugte Laserstrahl LB wird, wie dies in der Zeichnung strichpunktiert angedeutet ist, durch den Kanal 65 hindurch zu dem Spiegelsystem 59 geführt und dann von diesem um 90° vertikal nach unten abgelenkte

Das Spiegelsystem 59 ist an der Unterseite mit dem feststehenden Rohrelement 67 verbunden« Das bewegliche Rohrelement 61 ist am unteren Ende des feststehenden Rohrelementes 67 in Vertikalrichtung teleskopartig beweglich angeordnet. Der von dem Spiegelsystem 59 nach unten reflektierte Laserstrahl LB durchläuft die beiden Rohrelemente 67 und 61 und wird von der in dem beweglichen Rohrelement 61 befindlichen Sammellinse fokussiert. Die Sammellinse ist mit dem Rohrelement 61 vertikal beweglich, um die Fokusposition des Laserstrahles LB zu verändern. Diese Vertikalverstellung wird mit Hilfe der dem beweglichen

Rohrelement 61 zugeordneten Justiervorrichtung durchgeführt. Letztere weist eine Mutter auf, die auf einem Gewindeabschnitt des beweglichen Rohrelementes 61 sitzt und zweckmäßig mit einem Getriebe verbunden ist. Der dem beweglichen Rohrelement zugeordnete Justiermotor 63 wird von der obengenannten vorprogrammierten numerischen Steuerung gesteuert.

An der Stirnseite des Unterbaus 7 ist eine Staubsammelvorrichtung 69 zur Beseitigung der Dämpfe oder Schlackenansammlungen u.dgl. angeordnet.

Der Laserstrahl-Generator 3 weist einen Laserstrahl-Resonator 73 auf, der auf einem zweiten Unterbau 71 in Gestalt eines Grundrahmens od.dgl. angeordnet ist. Der Unterbau 71 ist mit dem Unterbau 7 der Laserstrahl-Schneidvorrichtung 5 fest verbunden. Er ist hinter dem Ständer 9 an der Rückseite der Bearbeitungsvorrichtung 5 und ihres Unterbaus 7 mit Hilfe von Befestigungsmitteln angeschlossen. Hiermit wird erreicht, daß sich keine Lageverschiebung des Laserstrahl-Generators 3 gegenüber der eigentlichen Laserstrahl Bearbeitungsmaschine 5 einstellen kann. Die genannten Verbindungsmittel weisen ein Verbindungsorgan 75 sowie ein langgestrecktes, stangenartiges Verbindungselement 77 auf. Der Unterbau 71 ist mit mehreren Konsolen 79 od.dgl. und hiermit im Gewindeeingriff stehenden vertikalen Justierorganen 81 versehen, so daß er in Vertikalrichtung justiert werden kann.

Der Laserstrahl-Resonator 73 weist im oberen Bereich einen Auslaß 83 für den erzeugten Laserstrahl LB auf. Der Laserstrahl-Auslaß 83 ist mit dem Kanal 65 des Kopfbalkens 11 verbunden und in Axialrichtung zu diesem ausgerichtet. Der Verbindungsbereich wird von einem Abdeckteil 85 abgedeckt. Der von dem Laserstrahl-Resonator 73 erzeugte Laserstrahl LB durchläuft den Kanal 65 in Horizontalrichtung auf einer geraden Strecke, ohne daß hierbei

verwickelte Spiegelanordnungen !benötigt werden₉ wie dies bisher der Fall war.

An dem zweiten Unterbau 71 ist ein Paar Horizontal-Justiervorrichtungen 87 für die seitliche Justierung des Laserstrahl-Resonators 73 gegenüber dem Unterbau 7 der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet. Diese Justiervorrichtungen 87 sind zu beiden Seiten des zweiten Unterbaus 71 angeordnet und weisen jeweils ein in Richtung X-Achse 27 wirkendes Justierorgan 89 auf, welches im Gewindeeingriff mit Seitenplatten des Unterbaus 71 steht. Außerdem weist die Justiervorrichtung 87 in Richtung der Y-Achse wirkende Justierorgane 91 auf, die im Gewindeeingriff mit Endplatten des Unterbaus 71 stehen. Die Justierorgane für die Horizontaljustierung sind am Laserstrahl-Resonator angeordnet. Mit Hilfe dieser Justierorgane 89 und 91 ist eine Seitenjustierung des Laserstrahl-Resonators 73 in Richtung der Y-Achse 21 und in Richtung der X-Achse 27 möglich. Auf diese Weise sind Laserstrahl-Abweichungen von der axialen Mittellage zwischen dem Laserstrahl-Auslaß 83 und dem Kanal 85 korrigierbar.

Im folgenden wird das der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine zugeordnete Servosystem mit dem In Richtung der Y-Achse 21 wirkenden Motor 43 und dem in Richtung der X-Achse 27 wirkenden Motor 55 zusammen mit der Steuereinrichtung 93 näher erläutert, die das Servosystem und das Ausgangsleistungsniveau des Laserstrahles in dem Laserstrahl-Resonator 73 steuert. Wie Fig. 4 zeigt, weist die Steuereinrichtung 93 eine Programmiervorrichtung 95, z.B„ einen Mikrocomputer, auf, der das Laserstrahl-Arbeitsprogramm auf der Grundlage der einer Dateneingabevorrichtung 97 eingegebenen Daten berechnet. Ferner ist die Steuereinrichtung 93 mit einer numerischen Steuerung 99 versehen, die das Servosystem 101 sowie die vorgenannten Motoren 43 und 55 und die Ausgangsleistung des Laserstrahl-Resonators 73 steuert. Die Programmierungsvorrichtung 95

speichert die verschiedenen an der Dateneingabevorrichtung 97 eingegebenen Daten und berechnet das Laserstrahl-Arbeitsprogramm auf der Grundlage dieser verschiedenen Daten. Die numerische Steuerung 99 steuert das Ausgangsniveau des Laserstrahls in dem Laserstrahl-Resonator 73 und das Servosystem 101 nach Maßgabe des Laserstrahl-Bearbeitungsprogramms der Programmierungsvorrichtung 95.

Zusätzlich zu den der Dateneingabevorrichtung 97 zugeführten Daten werden weitere Daten, insbesondere Profil- bzw. Formgebungsdaten über eine Formgebungsvorrichtung 103 und eine Lese- oder Abtastvorrichtung 105 der Programmierungsvorrichtung 95 zugeführt. Die Vorrichtung 103 verwendet einen Fühler oder ein Tastorgan od.dgl., um eine Aufzeichnung oder Abbildung nachzuzeichnen bzw. abzutasten, welche die zu bearbeitende Formgebung oder aber die Form eines Musterstücks zeigt, wodurch die Koordinaten-Daten der abgebildeten Form auf der X-Achse und der Y-Achse erhalten werden. Die Lesevorrichtung 105 liest die verschiedenen Daten des Laserstrahl-Bearbeitungeprogramms ab und führt sie der Programmierungsvorrichtung 95 zu· Die Dateneingabevorrichtung 97 umfaßt eine Dateneingabe 107 für die Einstellung der Dickendaten des zu bearbeitenden plattenförmigen Werkstücks W, eine Dateneingabe 109 für die Einstellung der Werkstoffdaten des Werkstücks W, eine Dateneingabe 111 für die Einstellung des Jeweiligen Multiplikationsfaktors, um welchen die zu bearbeitende Form vergrößert oder verkleinert werden soll; eine Dateneingabe 113 für die Einstellung der Daten für die Anfangspositionierung des Werkstücks und schließlich eine Bearbeitungszustands-Dateneinstellvorrichtung 115 für die Zuführung von Daten, welche die Relation zwischen dem Ausgangs-Lei stungsniveau des Laserstrahls in dem Laserstrahl-Resonator 73 und der Bearbeitungsgeschwindigkeit am Werkstück W entsprechen. Das von der Programmierungsvorrichtung 95 berechnete Laserstrahl-Arbeitsprogramm kann einem geeigneten Speicher 117, z.B. einer magnetischen Aufzeich-

nungsscheibe od.dgl., zugeführt werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung 93 berechnet demgemäß die Programmierungsvorrichtmig 95 das Laserstrahl-Arbeit sprogramm auf der Grundlage der über die Dateneingabevorrichtung 97» die Pormgebungs- oder Kopiervorrichtung 103 und die Lese- oder Abtastvorrichtung 105 zugeführten Daten, wobei das berechnete Programm der numerischen Steuerung 99 zugeführt wird« Im Ergebnis wird der Laserstrahl-Resonator 73 und das Servosystem 101 der Laser strahl-Bearbeitungsmaschine 1 nach Maßgabe des errechneten Laserstrahl-Bearbeitungsprogrammes gesteuert. Wenn durch Einstellen der Multiplikationsfaktor-Dateneinstellvorrichtung 111 der Multiplikationsfaktor der auf der Zeichnung od.dgl. aufgezeichneten Figur eingegeben wird, so wird ein Laserstrahl-Bearbeitungsprogramm dieser analogen Figur bzw. Form durchgeführt.

Bei Durchführung des Laserstrahl-Arbeitsprogramms durch die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 ist es wichtig, daß der Brennpunkt, also die Fokusposition des Laserstrahles LB nach Maßgabe der Dicke des Werkstücks W einjustiert wird. Ferner ist ein Einjustieren der Fokusposition auch ohne Dickenänderung des Werkstückes W in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine wichtig.

Wenn die Laserstrahlen LB zur Durchführung einer Bohrung oder zum Schneiden des Werkstücks auf dieses auftreffen, so ist es erforderlich, daß die auf den Bearbeitungspunkt fallende Strahlungsenergie wirksam absorbiert wird, um die Auswirkungen der Wärmeentwicklung im Nachbarbereich des eigentlichen Bearbeitungspunktes zu verringern. Bei übermäßig großer Wärmeeinwirkung auf den Umgebungsbereich der eigentlichen Bearbeitungsstelle stellen sich übermäßige Erweiterungen des gebohrten Loches oder der geschnittenen Nut ein. Es ist daher angebracht, den Laserstrahl LB bei

der Durchführung des Arbeitsprozesses auf einen möglichst kleinen Punkt zu fokussieren, um hier eine wirksame Bestrahlung des Arbeitspunktes mit hoher Energiedichte des Laserstrahles zu erzielen. Allerdings ändert sich der Absorptionsfaktor der Laserstrahlen LB an der Oberfläche des Werkstücks W in weiten Grenzen in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur und dem Zustand des Werkstücks W.

Die genannte Oberflächentemperatur während der Zeitspanne des Durchlochens ist niedrig, wenn das Werkstück W zunächst durchstochen und dann geschnitten wird. Während der Zeitspanne des Schneidens befindet sich die Oberflächentemperatur auf einem hohen Temperaturniveau, was auf den kontinuierlichen Strahleneinfall der Laserstrahlen LB zurückzuführen ist. Die Oberflächenform, auf die die Laserstrahlen LB auftreffen sind ebenfalls verhältnismäßig großen Änderungen unterworfen, so daß große Unterschiede in der Form während der Zeitspanne des Durchstechens und der Zeitspanne des Schneidens und damit auch große Unterschiede im Absorptionsfaktor und in den thermischen Einwirkungen an dem Werkstückteil vorliegen. Der Laserstrahl-Bearbeitungsvorgang läßt sich infolgedessen wesentlich wirksamer durchführen, wenn die Fokusposition der Laserstrahlen LB beim Lochen bzw. Durchstechen und beim Schneiden des Werkstücks unterschiedlich eingestellt werden.

Im folgenden wird dies für einen Arbeitszustand näher erläutert, bei welchem das Werkstück W etwa bis zur Mitte gelocht ist. Fig. 5 zeigt diese Verhältnisse in einem Diagramm für den Fall, daß die Fokusposition 0 der Laserstrahlen von der Oberfläche S_Q des Werkstücks W in eine tiefere Position verschoben wird, in der sich der Brennpunkt etwa auf ein Drittel der Plattendicke D befindet. Die Fokusposition 0 befindet sich zu nahe an der Werkstück Oberseite Sq. Wenn der Arbeitsvorgang bis unter die Fokusposition 0 fortschreitet, so werden die Laserstrahlen LB

auf die Umgebungsbereiche, also auf andere als die vorgeschriebenen Werkstückbereiche abgestrahlt, und zwar aufgrund des von der bearbeiteten Flächenstelle S^ abgestrahlten und reflektierten Lichtes L^· Dies führt zu einer Aufweitung des Lochdurchmessers·

Im folgenden werden die Ergebnisse einer Testreihe mit unterschiedlicher Lage der Fokusposition O der Laserstrahlen LB erläutert. Die Fig. 6a, 6b, 6c und 6d zeigen hierbei schematisch Querschnittibereiche von Test-Werkstücken, die mit unterschiedlicher Fokusposition 0 der Laserstrahlen gelocht wurden. Hierbei wurden als Werkstück W Stahlplatten mit einer Dicke von 6 mm verwendet.

Bei dem in Fig. 6a gezeigten Test wurde der Laserstrahl so eingestellt, daß sich seine Fokusposition etwa 4 mm unterhalb der Oberseite der Stahlplatte befand. Es wurde hierbei von den Laserstrahlen ein Loch geschnitten, welches mehr oder weniger dem Solldurchmesser R (1 mm) entspricht. Die Fokusposition 0 befand sich bei diesem Versuch also um etwa 2/3 der Plattendecke unterhalb der Oberseite des Werkstücks W.

Bei den in den Fig. 6b, 6c und 6d wiedergegebenen Versuchsergebniasen befand sich die Fokusposition 0 in einer Tiefe von 1 mm, 2 mm und 5,5 mm unterhalb der Werkstückoberseite. In allen diesen Fällen ergaben sich im oberen Bereich erhebliche Aufweitungen der Löcher, wobei die Lochdurchmesser an der Oberseite 3 bis 5 mm betrugen. An der Unterseite des Werkstücks W stellte sich aufgrund der hohen geschmolzenen Metallmenge ein übermäßig stark ausgeprägter Grat X ein.

Die Flg. 7a, 7b und 7c zeigen schematisch Querschnitte von VersuchswerkotUcken, die mit unterschiedlicher Fokusposition 0 der Laserstrahlen einem Schneidvorgang unterworfen wurden. Dabei wurde das im Zusammenhang mit den

6a bis 6d erwähnte Werkstück W dem Test unterworfen.

Im Falle der FIg, 7a lag die Fokusposition 0 etwa 2 mm unterhalb der Werkstück-Oberseite. Dabei wurde eine weitgehend saubere Schnittfläche erhalten. Die Fokusposition 0 befand sich hier also um 1/3 der Plattendicke unterhalb der Oberseite des Werkstücks W.

Bei den in den Fig. 7b und 7c gezeigten Versuchen befand sich die Fokusposition bei 0 mm und bei 4 mm unterhalb der Werkstückoberfläche. Hier stellten sich in Nähe der Werkstückunterseite starke Riefen und Schlieren an den Schnittflächen mit einer erheblichen Ansammlung von Gekrätz ein. Außerdem kam es zu einer erheblichen Schnitterweiterung·

Aus den vorstehend beschriebenen experimentellen Versuchen ergibt sich, daß günstigste Bearbeitungsverhältnisse vorliegen, wenn beim Durchstechen bzw. beim Durchlochen des Werkstücks die Fokusposition bzw. der Brennpunkt 0 der Laserstrahlen LB sich in einer Tiefe von etwa 2/3 der Plattendicke unterhalb der Plattenoberfläche S_Q des Werkstücks befindet, und wenn bei der Durchführung des Schneidvorgangs die Fokusposition 0 in einer Tiefe von etwa 1/3 der Plattendicke, gemessen von der Oberseite des Werkstücks W, gehalten wird.

Zusätzlich zu der Justierung der Fokusposition 0 nach Maßgabe der Plattendicke der verschiedenen Werkstücke W empfiehlt es sich, die Fokusposition 0 der Laserstrahlen LB auch in Abhängigkeit von den Bearbeitungsbedingungen einzustellen, indem das die Sammellinse aufweisende bewegliche Rohrelement 61 mit Hilfe des Justiermotors 63 in Vertikalrichtung verstellt wird. Auf diese Weise läßt sich eine genauere Bearbeitung des Werkstücks durchführen.

Die Erfindung ist nioht auf das oben beschriebene bevor-

zugte Ausfuhrungsbeispiel beschränkt. Dieses läßt sich in verschiedener Hinsicht ändern, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche

1.) Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine mit einer Laserstrahl-Schneidvorrichtung zur Fokussierung des Laserstrahles und einem Laserstrahl-Generator zur Erzeugung des Laserstrahles und zur Zuführung desselben zu der Laserstrahl-Schneidvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) und der Laserstrahl-Generator (3) über eine Befestigungsvorrichtung (75, 77) zu einer Konstruktionseinheit verbunden sind.

2. Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) und der Laserstrahl-Generator (3) jeweils einen Unterbau (7, 71), z.B. einen Grundrahmen od.dgl., aufweisen, wobei der Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) einen, vorzugsweise an einem Ständer (9) angeordneten Kopfbalken (11) mit einer Spiegelvorrichtung (59) und einer Sammellinse trägt, während der Unterbau (71) des Laserstrahl-Generators (3) einen den Laserstrahl erzeugenden Laserstrahl-Resonator (73) trägt.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) und der Unterbau (71) des Laserstrahl-Resonators (73) über die Befestigungsvorrichtung (75, 77) verbunden sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung ein Verbindungsglied (75) und ein längliches Verbindungsorgan (77) aufweist.

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5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbau (71) des Laserstrahl-Resonators (73) an der den Ständer (9) des Kopfbalkens (11) aufweisenden Seite des Unterbaus (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) angeschlossen ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5# dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Laserstrahl-Auslasses (83) des Laserstrahl-Resonators (73) mit der Achse eines am Kopfbalken (11) angeordneten Kanals (65) fluchtet, derart, daß der erzeugte Laserstrahl (LB) auf einer geraden Strecke auf die Spiegelvorrichtung (59) trifft.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl-Auslaß (83) mit dem Kanal (65) horizontal angeordnet ist.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 "bis 7„ gekennzeichnet durch eine an dem Unterbau (71) des Laserstrahl-Resonators (73) angeordnete Horizontal-Justiervorrichtung (87) zur Seitenjustierung des Laserstrahl-Resonators (73) gegenüber der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5).

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Horizontal-Justiervorrichtung (87) der Laserstrahl-Resonator (73) gegenüber dem Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) in Richtung der Y-Achse (21) und senkrecht hierzu in Richtung der X-Achse (27) justierbar ist.

10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Horizontal-Justiervorrichtung (87) mindestens ein die Justierung in Richtung der X-Achse (27) bewirkendes Justierorgan (89) aufweist, das in Gewindeverbindung mit Seitenplatten des Unterbaus (71)

des Laserstrahl-Resonators (73) steht, und daß sie ferner mit mindestens einem die Justierung in Richtung der Y-Achse (21) bewirkenden Justierorgan (91) versehen ist, welches in Schraubverbindung mit Endplatten dieses Unterbaus (71) steht.

11. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) angeordnete WerkstUck-Posltlonierungsvorrlchtung (17) zur Zu- und Abführung eines Werkstücks (W) zu bzw. von der Bearbeitungszone unterhalb der Sammellinse vorgesehen ist, und daß die Werkstück-Positionierungsvorrichtung (17) zwei Schlitten (19, 23) mit jeweils eigenem Schlittenantrieb (43» 53) aufweist, von denen der eine Schlitten (19) in Richtung der Y-Achse (21) verschieblich auf einem Arbeitstisch des Unterbaus (7) gelagert ist, während der andere Schlitten (23) auf dem erstgenannten Schlitten (19) senkrecht zu diesem Schlitten in Richtung der X-Achse (27) verschieblich gelagert ist und eine Einspannvorrichtung (25) aufweist.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Steuereinrichtung (93) zur Berechnung des Laser-Arbeitsprogrammes aus den verschiedenen Daten einer Dateneingabevorrichtung (97) sowie mit einem programmgesteuerten Servosystem (101) zur Steuerung der Werkstück-Positionierungsvorrichtung (17) nach Maßgabe des Laser-Arbeitsprogramms versehen ist.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dateneingabevorrichtung (97) eine Dateneingabe (107) für die Einstellung der Werkstück-Plattendicke, eine weitere Dateneingabe (109) für die Einstellung der Werkstoffdaten des Werkstücks (W), ferner eine Eingabe (111) für die Einstellung des Multiplikationsfaktors

sowie eine Eingabe (113) für die Einstellung der Daten fUr die Anfangspositionierung des Werkstücks (W) aufweist, und daß die Steuereinrichtung (93) mit einer Programmiervorrichtung (95) und einer numerischen Steuerung (99) versehen ist.

14. Maschine nach Anspruch 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß eine Foragebungavorrichtung (103) zur Zuführung der Profildaten (Schablonendaten u.dgl.) zu der Steuereinrichtung (93) vorgesehen ist.

15. Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken mittels einer Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer solchen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, die eine Sammellinse aufweist, welche mit ihrem Rohrglied zur Änderung der Fokusposition mittels einer Justiervorrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokusposition (0) bei der Lochung des Werkstücks (W) auf etwa 2/3 der Werkstückdicke, gemessen von der Werkstückoberseite, und bei der Schneidarbeit auf etwa 1/3 der Werkstückdicke, gemessen von der Werkstückoberseite eingestellt wird«,